Pojava frekventnih pretvarača (VFD) je revolucionirala kontrolu industrijske automatizacije i energetsku efikasnost motora. VFD su praktički nezamjenjivi u industrijskoj proizvodnji, a čak iu svakodnevnom životu postali su sastavne komponente u liftovima i klima uređajima s promjenjivom -frekvencijom. VFD su proželi svaki kutak proizvodnje i svakodnevnog života. Međutim, oni su također uveli izazove bez presedana, pri čemu je oštećenje motora jedno od najistaknutijih problema.
Mnogi su već uočili fenomen da VFD oštećuju motore. Na primjer, proizvođač pumpi se nedavno suočio s čestim izvještajima kupaca o kvarovima pumpe koji se dešavaju u garantnom roku. Ranije su proizvodi ovog proizvođača bili poznati po svojoj pouzdanosti. Istraga je otkrila da su sve oštećene pumpe pokretane pogonima promjenjive frekvencije.
Iako pitanje motornog oštećenja izazvanog VFD-privlači pažnju, osnovni mehanizmi ostaju nejasni, a preventivne mjere su uglavnom nepoznate. Ovaj članak ima za cilj da se pozabavi ovim nesigurnostima.
Oštećenje motora uzrokovano VFD-ovima
Oštećenje motora od VFD-a manifestuje se na dva osnovna načina: oštećenje namotaja statora i oštećenje ležaja, kao što je ilustrovano na slici 1. Takvo oštećenje se obično dešava u vremenskom okviru od nekoliko sedmica do više od godinu dana. Specifično trajanje ovisi o brojnim faktorima, uključujući marku VFD-a, marku motora, nazivnu snagu motora, VFD noseću frekvenciju, dužinu kabela između VFD-a i motora i temperaturu okoline. Prevremeni kvar motora nanosi značajne ekonomske gubitke preduzećima. Ovi gubici ne obuhvataju samo troškove popravke i zamene, već, što je još važnije, finansijski uticaj neočekivanog zastoja u proizvodnji. Stoga, kada se koriste VFD za pogon motora, pitanje oštećenja motora zahtijeva značajnu pažnju.
Razlike između promjenjivog frekventnog pogona i linijskog frekventnog pogona
Da bismo razumjeli zašto su motori s promjenjivom frekvencijom skloniji oštećenjima u uvjetima pogona s promjenjivom frekvencijom, prvo moramo shvatiti razlike između napona kojeg dovodi frekventni pretvarač i napona mrežne frekvencije. Zatim, mora se razumjeti kako ove razlike negativno utječu na motor.
Da bismo razumjeli zašto su motori skloniji oštećenju pod VFD pogonskim uvjetima u odnosu na rad na liniji-frekvencije, prvo moramo ispitati razlike između napona kojeg dovodi VFD i napona linijske{1}}frekvencije. Zatim moramo razumjeti kako ove razlike negativno utječu na motor.
Osnovna struktura frekventnog pretvarača prikazana je na slici 2, koja se sastoji od dva glavna dijela: kruga ispravljača i kruga pretvarača. Kolo ispravljača formira izlazni krug jednosmjernog napona koristeći standardne diode i filtarske kondenzatore. Invertersko kolo pretvara ovaj jednosmjerni napon u talasni oblik napona moduliranog širinom- (PWM napon). Shodno tome, talasni oblik napona koji pokreće motor iz VFD-a je talasni oblik impulsa sa različitim širinama impulsa, a ne sinusoidalni talasni oblik napona. Pokretanje motora ovim impulsnim naponom osnovni je uzrok oštećenja motora.
Mehanizam oštećenja invertora na namotajima statora motora
Kada se impulsni naponi šire kroz kablove, neusklađena impedancija između kabla i opterećenja uzrokuje refleksije na kraju opterećenja. Ove refleksije rezultiraju superpozicijom upadnih i reflektiranih valova, stvarajući znatno veće napone. Njihova amplituda može doseći do dvostruko veći napon istosmjerne sabirnice-približno tri puta veći od ulaznog napona invertera-kao što je prikazano na slici 3. Previše visoki šiljasti naponi primijenjeni na namotaje statora motora uzrokuju skokove napona. Česti prenaponski udari mogu dovesti do prijevremenog kvara motora.
Stvarni životni vijek motora kojeg pokreće promjenjivi frekventni pretvarač nakon što je bio izložen naponskim skokovima ovisi o brojnim faktorima, uključujući temperaturu, kontaminaciju, vibracije, napon, frekvenciju nosioca i proces proizvodnje izolacije zavojnice.
Što je veća noseća frekvencija frekventnog pretvarača, to se valni oblik izlazne struje bliže približava sinusnom valu. Ovo smanjuje radnu temperaturu motora, čime se produžava vijek trajanja izolacije. Međutim, viša noseća frekvencija znači više generiranih napona u sekundi, što rezultira češćim udarima na motor. Slika 4 ilustruje kako životni vek izolacije varira u zavisnosti od dužine kabla i frekvencije nosioca. Grafikon pokazuje da za kabl od 200 stopa, povećanje noseće frekvencije sa 3 kHz na 12 kHz (četvorostruko povećanje) smanjuje vijek trajanja izolacije sa približno 80.000 sati na 20.000 sati (četverostruko smanjenje).
Utjecaj noseće frekvencije na izolaciju
Što je temperatura motora viša, životni vek izolacije je kraći. Kao što je prikazano na slici 5, kada temperatura poraste na 75 stepeni, životni vek motora se smanjuje na samo 50%. Motori pokretani pretvaračima promjenjive frekvencije (VFD) doživljavaju znatno više temperature u poređenju sa motorima koje pokreće napon frekvencije komunalne mreže, zbog PWM napona koji sadrži veći udio visoko{5}}komponenti visoke frekvencije.
Mehanizam oštećenja pogona promjenjive frekvencije ležajeva motora
Uzrok oštećenja pogona promjenjive frekvencije na ležajevima motora je protok struje kroz ležajeve, koji se javlja u povremeno spojenom stanju. Povremeno povezana kola stvaraju lukove, a ti lukovi sagorevaju ležajeve.
Dva primarna uzroka induciraju protok struje kroz ležajeve motora na naizmjeničnu struju: prvo, inducirani napon zbog neravnoteže unutrašnjeg elektromagnetnog polja; drugo, -putevi visokofrekventnih struja stvoreni lutajućim kapacitetom.
U idealnom asinhronom motoru na izmjeničnu struju, unutrašnje magnetsko polje je simetrično. Kada su struje u tro-faznim namotajima jednake i faza-pomaknuta za 120 stepeni, na vratilu motora se ne indukuje napon. Međutim, kada izlazni PWM napon iz pretvarača uzrokuje asimetriju magnetnog polja unutar motora, napon se inducira na osovini. Ovaj napon se obično kreće od 10 do 30V, u zavisnosti od napona pogona-veći napon pogona rezultira višim naponom vratila. Ako ovaj napon premašuje izolacijsku čvrstoću ulja za podmazivanje unutar ležaja, formira se električni put. Kako se osovina okreće, izolacija ulja za podmazivanje povremeno prekida strujni tok. Ovaj proces podsjeća na djelovanje mehaničkog prekidača, stvarajući luk koji erodira površine vratila, kuglica i prstenova ležaja, formirajući jame. Bez vanjskih vibracija, manje udubljenja uzrokuju minimalan utjecaj. Međutim, u kombinaciji s vanjskim vibracijama, stvara žljebove koji značajno ometaju rad motora.
Dodatno, eksperimenti pokazuju da je napon na osovini također povezan s osnovnom frekvencijom izlaznog napona pretvarača. Što je niža osnovna frekvencija, to je veći napon na vratilu, što rezultira ozbiljnijim oštećenjem ležaja.
Tokom početne faze rada kada je temperatura maziva niska, amplitude struje se kreću od 5 do 200 mA. Takve niske struje ne uzrokuju oštećenja ležajeva. Međutim, nakon dužeg rada, kako temperatura maziva raste, vršne struje mogu doseći 5 do 10 A. To izaziva stvaranje luka, formirajući mikro-udubljenja na površinama ležaja.
Zaštita namotaja statora motora
Kada dužina kablova prelazi 30 metara, moderni frekventni pretvarači (VFD) neizbežno stvaraju šiljke napona na terminalima motora, skraćujući životni vek motora. Dva pristupa sprječavaju oštećenje motora: korištenje motora s većom snagom izolacije namotaja (obično se nazivaju VFD-kompatibilni motori) ili primjena mjera za smanjenje šiljastih napona. Prvi je pogodan za nove projekte, dok je drugi idealan za naknadnu ugradnju postojećih motora.
Trenutno se koriste četiri uobičajene metode zaštite motora:
(1) Instaliranje prigušnica na izlazu invertera: Ovo je najčešće korišteni pristup. Međutim, imajte na umu da iako je efikasan za kraće kablove (ispod 30 metara), njegove performanse ponekad mogu biti neoptimalne, kao što je prikazano na slici 6(c).
(2) Ugradnja dv/dt filtera na izlaz invertera: Ovo je pogodno za dužine kablova ispod 300 metara. Iako je nešto skuplji od reaktora, daje značajno poboljšane rezultate, kao što je prikazano na slici 6(d).
(3) Ugradnja sinusnog filtera na izlaz invertera: Ovo je najidealnije rješenje. Pretvaranjem PWM impulsnog napona u napon sinusnog vala, motor radi u uvjetima identičnim uvjetima napona mrežne frekvencije. Ovaj pristup u potpunosti rješava problem napona (naponi se neće pojaviti bez obzira na dužinu kabela).
(4) Instaliranje apsorbera napona na interfejsu kabla-motora: Nedostaci prethodnih mjera su da reaktori ili filteri postaju glomazni, teški i skupi za motore velike{2}}snage. Dodatno, i reaktori i filteri uzrokuju pad napona koji smanjuje izlazni moment motora. Korištenje apsorbera napona invertera prevladava ova ograničenja. SVA apsorber prenapona koji je razvio Institut 706 Druge akademije CASIC-a koristi naprednu energetsku elektroniku i inteligentnu tehnologiju upravljanja, što ga čini idealnim rešenjem za sprečavanje oštećenja motora. Nadalje, SVA apsorber prenapona također štiti ležajeve motora.